La continua riduzione dei consumi e delle dimensioni della componentistica elettronica rende possibili applicazioni fino ad oggi impensabili, soprattutto nel mercato dei radio controlli.
Moduli ricetrasmettitori per le bande ISM sempre più perfezionati ci consentono di monitorare le condizioni di salute dei pazienti nei più svariati ambiti della medicina, garantendo il rispetto delle normative EMC e assicurando bassi consumi di corrente, condizione quest’ultima indispensabile nei sistemi tascabili alimentati a batteria. Non solo, la grande autonomia di esercizio tipica di un sistema cosiddetto “smart radio” risolve molte problematiche di telelettura dei contatori come acqua, gas, carburanti dove spesso non è disponibile una sorgente di corrente alternativa alla batteria. I telecontrolli hanno sempre avuto un fascino indiscusso ed è innegabile che allo stato attuale, nonostante siamo abituati ai “miracoli” delle telecomunicazioni, ci procura un senso di benessere poter azionare a distanza oppure ricevere informazioni in modo automatico da enti e strumenti non visibili alla nostra portata ottica. Se poi trasportiamo questa possibilità di impiego nel settore della strumentazione medica (ISM) e, perché no, anche nel campo dei dispositivi di ausilio per la salute degli esseri umani (IMD), allora la materia si fa davvero interessante.
Molte case costruttrici di chip a semiconduttori si sono impegnate in questo settore apportando continue migliorie ai prodotti per telecontrollo e arrivando a conseguire risultati strabilianti in termini di dimensioni, consumi energetici e prestazione di questi dispositivi conosciuti come transceiver. Parallelamente allo sviluppo di questi chip, sono stati definiti i vari standard di frequenze da impiegare ed i protocolli di comunicazione, soprattutto nel settore del metering (telemisura), Wireless Sensor Network (WSN) e in campo medico Instrumentation Scientific and Medical (ISM). Le frequenze utilizzate per applicazioni di telediagnosi e controllo sono quelle denominate sub gigahertz e sono liberamente utilizzabili a seconda delle normative vigenti nel paese di appartenenza nel range da 315 a 955 MHz, non escluso la scelta di alcuni costruttori di allontanarsi da queste frequenze per problemi di affollamento. Sempre più spesso si vanno affermando soluzioni operanti alla frequenza di 2.4 GHz, con grande vantaggio per l’efficienza di irradiazione delle antenne integrate.
GLI STANDARD INTERNAZIONALI PER LE RADIOCOMUNICAZIONI
Gli standard internazionali che regolano l’impiego e l’occupazione di queste frequenze sono pianificati dai rispettivi governi attraverso i relativi comitati tecnici di appartenenza, come ad esempio:
- MICS (Mobile Information and Communication System);
- ETSI (European Telecommunications Standards Institute) mercato europeo;
- FCC (Federal Communications Commission) mercato USA;
- IEC (International Electrotechnical Commission). Fortunatamente, i dispositivi radio che presenteremo in queste pagine, i cosiddetti short range, utilizzati nelle bande previste e con limiti di emissione suggeriti dai costruttori sono liberamente fruibili senza necessità di licenza.
Non solo, la potenza di elaborazione molto spesso a essi abbinata e la disponibilità di API (Application Programming Interface) messe a disposizione dalle case produttrici, li rende precertificati quando si vadano a impattare i protocolli di comunicazione client/server come quelli previsti da M-Bus.
LO STANDARD M-BUS
Molti dispositivi RF a larga scala di integrazione proposti dai vari costruttori includono: CPU, ricevitori, trasmettitori e/o transceiver e supportano il protocollo M-Bus per applicazioni wireless. M-Bus è uno standard europeo utilizzato nella lettura remota di contatori del gas, acqua, elettricità e altri beni di consumo. Tramite questo protocollo è possibile raccogliere i dati provenienti da sensori in campo e convogliarli presso un concentratore centralizzato. Lo scenario di applicazioni in ambito M-Bus prevede l’impiego di frequenze nel range da 868 a 870 MHz. Questa scelta si rileva particolarmente interessante anche per le maggiori distanze raggiungibili a parità di potenza irradiata. Lo standard M-Bus può essere utilizzato, oltre che per il settore del metering, anche in altri ambiti come sistemi di allarme, illuminazione, impianti di riscaldamento e molti altri. Per chi voglia approfondire le conoscenze su M-Bus, consiglio l’interessante application note della Silicon Labs AN 361 [5].
LE CASE COSTRUTTRICI
Molte sono le case costruttrici che si contendono lo scenario dei transceiver a basso consumo, per il settore smart radio. Senza voler escludere nessuno e scusandomi sin da ora con i costruttori – altrettanto meritevoli – non menzionati in questo articolo, per motivi di brevità citerò solo alcuni di essi.
SILICON LABS
La gamma di microprocessori SI10xx per applicazioni Wireless proposta da Silicon Labs, affiancata all'esperienza di ISMT GmbH, uno dei leader nel mercato dei dispositivi (WSN), consente una grande semplificazione della progettazioni di moduli a bassissimo consumo di corrente, di grandi prestazioni e soprattutto precertificati M-Bus, riducendo, quindi, i tempi di accesso al mercato. Esempi rappresentativi di questa interessante sinergia sono i moduli WiMOD disponibili in vari modelli: IM201A, iM221A, iM240A, iM820, iM860. Questi moduli, tutti realizzati in SMT di dimensioni ridotte e con antenna integrata, operano alla frequenza di 2.4 GHz e con crescente potenza di trasmissione fino a raggiungere, nel modello al top della gamma: iM860, 2 km di portata. Essi integrano un processore per lo sviluppo di applicazioni embedded. Per ciascun modello è disponibile lo starter kit. Recentemente annunciato, l’SKiM871A consente la portata di 3 km. Al riferimento [6] è possibile scaricare la documentazione ed il software messo a disposizione dalla casa. L’esperienza di Silicon Labs, in sinergia con Telit Energy, consente lo sviluppo di moduli M-Bus basati sull’impiego di tranceiver SI433x EZRadio-Pro. Il modulo ME50868, fortemente integrato, ha una sensibilità in ricezione di -108 dBm e una potenza di +14 dBm in trasmissione e consente la ricetrasmissione di segnali in modalità M-Bus fino a una distanza di 2 km. Le sue dimensioni sono molto contenute: 26 x 15 x 3 mm e si alimenta tra 2 e 3.6 volt. Il package è in formato LGA (Land Grid Array). Il consumo in standby di solo 1 uA lo rende particolarmente appetibile per alimentazione da batteria e quindi trova ampia applicazione nella telelettura di contatori del gas, acqua ed elettricità e in applicazioni in cui non sia disponibile una sorgente di alimentazione esterna. Un’altra famiglia di transceiver che merita di essere notata per i suoi bassi consumi, costruita dalla medesima Silicon Labs è individuata dalla sigla Si446x. Ne esistono varie versioni con sensibilità in ricezione sempre più spinta (fino a -126 dB) e potenza di trasmissione fino a +20 dB. Questa famiglia di prodotti è particolarmente interessante non solo per i suoi consumi contenuti (50 nA in stand-by!) ma anche per il suo ampio range di frequenze di utilizzo (119-1050 MHz) ampiamente programmabile senza soluzione di continuità. L’alimentazione del chip è compresa tra 1.8 e 3.6 V. L’interfaccia con il controller esterno avviene tramite un bus SPI dedicato alla programmazione dei registri e allo scambio dei dati da e verso la CPU. Questi chip trovano largo impiego in vari settori, dal metering al campo medico.
FREESCALE (NXP)
Recentemente annunciato, questo chip identificato con la sigla commerciale MC12311 è un transceiver di basso costo, ultra low power, destinato all’impiego nei settori smart metering (MBus), medicale (ISM) oppure building automation operante a frequenza sub -1 GHz. Il dispositivo può essere programmato per funzionare con varie tecniche di modulazione: FSK, GFSK, MSK, oppure OOK. Esso è basato sul microcontroller HCS08 a 8 bit a basso consumo. La sezione RF, fortemente integrata, funziona su varie frequenze, tra cui 315 MHz, 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz, 915 MHz, 928 MHz, 955 MHz. Il chip si presenta con package LGA (Land Grid Array) a 60 pin, 8 x 8 mm. Esso possiede una sensibilità in ricezione di -120 dBm a 1.2 kbaud e una potenza in trasmissione programmabile da -18 a +17 dBm. Il suo basso consumo, 100 nA in standby, ne fanno un componente ideale per alimentazione da batteria da 1.8 a 3.6 volt. La CPU MC9S08QE32 dispone di una memoria flash da 32 kb e una ram da 2 kb. Freescale (NXP) supporta i progettisti con soluzioni software necessarie allo sviluppo di piattaforme basate su SMAC (Simple Media Access Control) e M-Bus.
TEXAS INSTRUMENTS
Al top della gamma dei transceiver di ultima generazione, in casa Texas brilla sicuramente il modello CC2500. Questo transceiver, derivato dalla precedente esperienza dei più noti CC11xx che operavano nel sub GHz, rimane un dispositivo di costo accessibile. Esso lavora a 2.4 GHz, 2400-2483.5 MHz ed è utilizzabile per applicazioni ISM e SRD (Short Range Device). Il potente modem RF su cui è basato il chip è ampiamente configurabile per supportare vari tipi di modulazione: OOK, 2-FSK, GFSK e MSK. La rapida velocità di risposta con cui è possibile cambiare frequenza di lavoro lo rendono ideale per trasmissioni a commutazione di frequenza (Frequency Hopping) e per la realizzazione di sistemi multicanali. Queste prestazioni, abbinate al basso consumo, lo rendono insostituibile per applicazioni a batterie di massima sicurezza quindi: metering, remote controller, dispositivi medici per telediagnosi, etc.
ANALOG DEVICES
Non poteva mancare una brillante soluzione proposta da un altro grande leader del settore elettronico, Analog Devices. Questo transceiver ad alte prestazioni, conosciuto con la sigla ADF7023, funziona in banda ISM sub 1 GHz nel range da 431-464 MHz oppure da 862-928 MHz. Esso si alimenta a batteria, da 1.8 - 3.6 V, e in stand-by consuma solo 330 nA. È completamente programmabile per quanto riguarda il tipo di modulazione (FSK, GFSK, OOK, KSK, GMSK), il baud rate, la larghezza di banda dello stadio ricevente, la sensibilità in ricezione, la potenza di trasmissione. Inoltre, esso integra un processore a 8 bit a basso consumo, per il supporto di comunicazioni a pacchetto. Algoritmi dedicati consentono la crittografia dei dati (128 bit AES) e la correzione degli errori (Reed Salomon). La potenza di calcolo, assieme al basso consumo e alla elevata sensibilità in ricezione, ne fanno un componente versatile e utilizzabile in vari ambiti di applicazione come smart metering, M-Bus, home automation e dispositivi medici. È costruito in package LFCSP (Lead Frame Chip Scale Package) a 32 pin e ha un ingombro di soli 5 x 5 mm.
ZARLINK SEMICONDUCTOR (MICROSEMI)
Questa casa si distingue per la costruzione di dispositivi transceiver utilizzabili per applicazioni nel settore dei dispositivi medicali impiantabili: pace maker, misuratori del battito cardiaco, neurostimolatori, oppure per telemetria e telecontrollo. Al top della gamma troviamo il modello ZL70102, operante in modalità half duplex alla frequenza di 402-405 MHz, 10 canali MICS (Medical Implantable Communication Service) oppure 433-434 MHz, 2 canali ISM (Instrumentation Scientific and Medical). Il tranceiver proposto richiede tre componenti al suo esterno oltre all’antenna per poter operare in conformità ai principali standard di comunicazione (MICS, ETSI, FCC, IEC) e si affaccia ad un mercato praticamente globale. Il passaggio dallo stato di stand-by a quello operativo (wake-up) viene effettuato tramite un canale radio a 2.4 MHz dedicato espressamente alla sveglia. Questo consente di tenere completamente spenta la ricevente principale per abbatterne il consumo a soli 290 nA. Il chip si presenta in package a 48 pin QFN e si interfaccia con la CPU tramite bus SPI. Per accedere ad alcune informazioni tecniche è necessario sottoscrivere accordi di non divulgazione dei contenuti (NDA, non disclosure agreement) con la casa costruttrice.
IN CONCLUSIONE
Molti altri costruttori realizzano dispositivi simili. Vale la pena ricordare in chiusura case fornitrici come Austriamicrosystem. AS3940 è un transceiver multicanale low power con modulazione in FSK. La caratteristica più importante di questo componente consiste senz’altro nella capacità di gestire una rete a stella composta da un master ed un massimo di 8 clients avendo 4 buffer indipendenti da 256 byte, 2 in TX e 2 in RX. La trasmissione e la ricezione dei dati avviene costantemente sotto il controllo della CPU tramite l’impiego di tecniche di CRC semplificando così il compito del progettista. Nordic Semiconductor (RFMicrodevices) realizza il transceiver nRF905 in banda ISM sub 1 GHz con caratteristiche molto simili ai suoi concorrenti, ma con l’innegabile vantaggio di un ridotto numero di parti esterne oltre all’antenna. Caratteristica saliente è l’acceleratore hardware di protocollo Shockburst che riduce i tempi di latenza nella gestione del dialogo con il controller esterno su bus SPI. Lo scenario è davvero molto vasto sia in termini di offerta sia in termini di possibili applicazioni. Il mio suggerimento per la scelta del componente (salvo rare eccezioni dettate da specifiche esigenze progettuali) è di consultare i cataloghi commerciali per verificare la facile disponibilità dei campioni e dello starter kit e poi riferirsi ai siti delle case costruttrici per il supporto tecnico, per la documentazione tecnica e le librerie software che solitamente sono rese disponibili per il download gratuito.
